Steuersystem für Blektromotoren Die Erfindung betrifft ein Steuersystem
fÜr Elektromotoren und bezieht sich insbesondere auf ein Elektromotor-Steuersystem,
welches verwendet wird zur Steuerung des Stromes durch einen Motor, um die Drehzahl
oder das Drehmoment automatisch in Abhängigkeit von dem Strom in dem Motorenergiekreis
zu verändern.Control System for Lead Electrics The invention relates to a control system
for electric motors and refers in particular to an electric motor control system,
which is used to control the current through a motor to set the speed
or the torque automatically depending on the current in the motor power circuit
to change.
Beim Betrieb von Gleichstrommotoren ist es häufig er"-wünscht, Einrichtungen
vorzusehen zur Steuerung der Drehzahl durch Steuerung der Felderregung wie auch
durch normale Ankersteuerung. Es sind üblicherweise
Einrichtungen
vorgesehen, um den Motor Über einen kontinuierlichen Bereich-durch Ankersteuerung
zu betreiben; in manchen Anwendungen kann jedoch eine weitere Steuerung erwünscht
sein.. Ein Beispiel ist ein mit Gleichstrommotor betriebenes Fahrzeug, welches unter-veränderlichen
Belastungsbedingungen arbeitet,* Während ein Teil seines Betriebs unter veränderlichen
Schwerlastbedingungen stattfinden kann#I kann es ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit
bei leichter Last betrieben werden. Da bei diesen Fahrzeugtypen normalerweise'Reihenschlußmotoren
verwendet werden., wird der erwünschte breite Drehzahl- oder Geschwindigkeitsbereich
erreicht durch Parallelschaltung der Feldwicklung mit einem Widerstand, um den Fluß
zu verringern durch Verringerung des Anteiles des Ankerstromes durch das Feld und
durch Erhöhung der elektromotorischen Kraft an der Ankerwicklung. Dieses wird häufig
manuell von der Bedienungsperson durchgeführt. In letzter Zeit wurden Impulsbreitenmodulations-
oder ähnliehe Steuersysteme verwendet zur Steuerung von Gleichstrommotoren durch
Veränderung der dem Motor zugeführten effektiven Spannung. Da diese Systeme wirksam
sind und durch sie leicht ein automatischer Strom- und Spannungsbegrenzungsbeb#ieb
geschaffen werden kann, ist es erwünscht, einen automatischen Feldwicklungsnebenschluß
zu schaffen.
Durch die Erfindung ist eine Einrichtung geschaffen,
die auf den Strom durch den Motor anspricht, um einen Nebenschlußwiderstand parallel
zur Feldwicklung anzuschließen, wenn der Motorstrom unterhalb eines vorbestimmten
ersten Pegels ist, und den Nebenschlußwiderstand abzuschalten, wenn der Strom sich
über einem anderen Pegel befindet, der größer ist als der erste Pegel. Ziel der
Erfindungist die Schaffung eines verbesserten Blektromotorsteuersystems, eines verbesserten
Feldwicklungsnebenschlußmotor-Steuersystems für einen ReihenschluB-Gleichstrommotor,
einer Einrichtung zum Nebenschließen der Fäldwicklung eines Reihenschlußgleichstrommotors
in Abhängigkeit von dem Notorstrom, einer Einrichtung zum Anschalten und Abschalten
eines Widerstandes in Parallelschaltung mit der Feldwicklung eines Reihenschlußgleichstrommotors
in Abhängigkeit von dem elektrischen Zustand des Motors, einer automatischen Einrichtung
zum Nebenschließen der Feldwicklung eines Reibenschlußgleichstrommotors, wenn sich
der MotorstrÖm unterhalb eines vorbestimmten ersten Pegels befindet, und den Nebenschluß
aufzuheben, wenn sich der Motorstrom über-einem zweiten vorbestimmten Pegel befindet,
der größer ist als der erste Pegel, und einer Steuereinrichtung für ein Fahrzeug,
welches von einem Gleichstrommotor angetrieben
wird, die automatisch
auf den Motorstrom anspricht, um die Motordrehzahl zu ändern. Ein Steuersystem für
einen Elektromotor zur automatischen Steuerung der Drehzahl oder des Drehmoments
eines Gleichstrommotors mit einer Feldwicklung und einer Ankerwicklung, die von
einer Gleichstromquelle erregt werden, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung durch
einen Widerstand und eine statische Steuereinrichtung, die auf den von der Gleichstromquelle
zum Motor fließenden Strom anspricht, um automatisch den Widerstand in Parallelschaltung
zur Feldwicklung anzuschließen, wenn der Strom unterhalb eines ersten vorgewählten
Pegels ist, und automatisch den Widerstand von der Feldwicklung abzuschalten, wenn
der Strom oberhalb eines zweiten vorgewählten Pegels ist. Vorzugsweise weist die
statische Steuereinrichtung Schaltmittel auf, um den Anschluß des Widerstandes zu
bewirken, wenn sich der Motorstrom unterhalb eines ersten vorgewählten Pegels befindet,
und die Abschaltung des Widerstandes nur denn zu bewirken, wenn si ch der
Motorstrom oberhalb eines zweiten vorgewählten Pegels befindet, der größer ist als
der erste Pegel.
Vorzugsweise umfassen die Schaltmittel einen ersten
Schaltkreis, der einen ersten und zweiten Ausgangszustand aufweist und so angeschlossen
ist, daß er auf den Motorstrom anspricht, und einen zweiten Schaltkreis, der so
angeschlossen ist, daß er auf den ersten Ausgangszustand des ersten Schaltkreises
anspricht, um einen Ausgangszustand anzunehmen, und auf den zweiten Ausgangszustand
des ersten Schaltkreises anspricht, um einen anderen Ausgangszustand anzunehmen.
Vorzugsweise sind Vorspannungsmittel vorgesehen zur Steuerung der Abhängigkeit d:es
ersten Schaltkreises auf den Strompegel. Die Vorspannungsmittel sprechen auf den
ersten Ausgangszustand des zweiten Schaltkreises an, um den ersten Schaltkreis mrzuspann-en
, um den zweiten Ausgangszustand anzunehmen, wenn sich derStrom unterhalb
eines ersten vorgewählten Pegels befindet, und auf den anderen Zustand des zweiten
Schaltkreises anzusprechen, um den ersten Schaltkreis vorzuspannen, um den
ersten Ausgangszustand anzunehmen, wenn sich der Strom oberhalb eines zweiten vorgewählten.Fegels
befindetg der grÖßer ist als der erste vorgewählte Pegel. Der erste Schaltkreis
weist vorzugsweise einen Halbleiterschaltkreis auf, der so angeschlossen ist, daß
er auf den
Motorstrom anspricht und so-v'orgespannt ist, daß er
leitet, wenn der Motorstrom geringer ist als ein erster vorgewählter Pegel, und
der zweite Sch,altkreis weist einen Halbleiterschaltkreis auf, der auf den Zustand
des ersten Kreises anspricht, um leitend zu werden, wenn-der erste Schaltkreis nicht
leitet, und nicht leitend zu werden, wenn der erste Schaltkreis leitet. Die statischen
Steuermittel umfassen vorzugsweise einen Spannungsteiler. Der Halbleiter des ersten
Schaltkreises weist eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor auf; dabei ist,
die Basis an einen gewählten Punkt an dem Spannungsteiler angeschlossen. Der Halbleiter
des zweiten Schaltkreises weist vorzugsweise eine Basis, einen Emitter und einen
Kollektor auf, wobei die Basis an den Kollektor des Halbleiters des ersten Schaltkreises
und der Emitter an den Emitter des Halbleiters des ersten Schaltkreises angeschlossen
sind. Die statische Steuereinrichtung kann ein Relais aufweisen, das mit einer erregbaren
Wicklung versehen ist zum Öffnen und Schließen eines Kontakts, um den Widerstand
in Parallel-, schaltung zur Feldwicklung anzuschließen und abzuschalten. Der Motor
ist vorzugsweise ein Reihenschluß-Gleichstrommotor.
Die Erfindung
schaff t weiterhin ein elektrisch angetriebenes Fahrteug mit einem Gleichstrommotor
als Kraftquelle, welches mit einem Steuersystem gemäß der Erfindung ausgerüstet
ist. Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung im einzelnen
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 'eine-schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Steuersystems für einen Blektromotor und Pig. 2 eine graphische Darstellung mit
zwei erläuternden Kennlinienkurven des in Fig. 1 gezeigten Motorsteuersystems,
in der die eine Kurve die Strom-Spannungs-Beziehung zur Steuerung des Nebenschlusses
und die andere Kurve den Prozentsatz der Anschaltungsbeziehung zur Steuerung des
Nebenschlusses zeigt. Nach Fig. 1 ist eine Gleichstromquelle, z.B. eine Batterie
11,
an einen Reihenschlußgleichstrommotor 10 angeschlossen, der eine
Yeldwielilung 13 und eine Ankerwicklung 14 aufweist. Ein Leistungsschalter
20, der einen kleinen Widerstand hat, wenn er eingeschaltet ist, ist so angeschlossen,
daß er auf einen Eingang von einem Impulsbreitenmodulationssteuersystem
30
anspricht, um die Batterie 11 zyklisch an den Motor 10 anzuschließen.
Weiterhin
sind statische Steuermittel.50 vorge-, sehen, um die Feldwicklung 13 über
einen Nebenschlußwiderstand 15 nebenzuschließen durch Erregung eines Relais
51, um
dessen Kontakt 51c zu schließen. In der dargestellten Ausführungsform
der Erfindung weist die statische Steuereinrichtung 50 erste und zweite Schaltkreise
in Form von Halbleiterschaltkreisen auf,- die als PNP-Transistoren 47 und 48 und
zugehöriger Schaltungskomponenten dargestellt sind. Die Widerstände 31,32, 33
und 34 sind so angeschlossen, daß sie den Eingang zu dem Transistor 47 steuern.
Durch die Widerstände 61 und 62 und einen Varistor 63
ist'eine
Temperatur-Kompensationsschaltung geschaffen. Eine Diode 39 ist zwischen
die Basis und den Emitter des Transistors 47 geschaltet, um Stoßströme durchzulassen,
und ein Kondensator 38.ist angeschaltet, um den pulsierenden,Strom zu filtern, der
durch das zyklische Anschalten des Leistungsschalters 20 erzeugt wird. Eine Dlode
42 und ein Widerstand 46 sind angeschlossen, um ein rückwärtsgerichtetes Vorspannpotential
(back bias-potential) an den Emitter-Bals-Kreis des Transistors 4? anzulegen, wenn
er abgeschaltet ist. Ein Widerstand 41 ist angeschlossen, um den Strom durch den
Transsistor 47 zu begrenzen,*wenn er abgeschaltet ist. Ein Widerstand 43-und eine
Wicklung 51w des Relais 51 sind in den Kollektorkreis
des
Transistors 48 geschaltet. Eine Diode 45 ist angeschbsse.n. um den induzierten Rückstrom
oder Sperrstrom von der Wicklung 51w des Relais 51 zu leiten, wenn der Transistor
48 abschaltet. Beim Betrieb des beschriebenen -Systems ist, wenn der Zeitanteil
eines jeden Zyklus oder Arbeitstaktes, in dem der Leistungsschalter 20 angeschaltet
ist, relativ klein ist, wie es di,--ch die Spanni#ngslinie.B In Fig. 2 gezeigt ist,
oder wenn der Strom relativ hoch ist, wie es durch die Spannungslinie
A in Fig. 2 gezeigt tt, der parallel zumLeistungsschalter 20 auftretende
Durchschnittsstrom relativ hoch. Bei einem gewählten Spannungspegel ist die gefilterte
Spannung an der Basis des Transistors 47, die von dem Spannungsteiler der Widerstände
31, 32 und 33 erzeugt wird, negativ in bezug auf die Spannung an dem
Emitter des Transistors 4r?, die von dem Span«ni2ngsteiler der Widerstände
31 und 34 erzeugt wird, und der Transistor 47 ist eingeschaltet, Bei eingeschaltetem
Transistor 47 ist der Transistor 48 abgeschaltet und es fließt kein Strom durch
di; Wicklung 51w des Relais 51, und der Kontakt 51c ist offen.In DC motor operation, it is often desirable to provide means for controlling speed by field excitation control as well as normal armature control. Means are usually provided to operate the motor over a continuous range — by armature control; in some applications however, further control may be desired. An example is a DC motor vehicle operating under variable load conditions * While some of its operation can take place under variable heavy load conditions # I can also be operated at high speed with light load. Since series motors are normally used in these types of vehicles, the desired wide range of revolutions or speeds is achieved by connecting the field winding in parallel with a resistor in order to reduce the flux by reducing the proportion of armature current through the F. eld and by increasing the electromotive force on the armature winding. This is often done manually by the operator. Recently, pulse width modulation or similar control systems have been used to control DC motors by varying the effective voltage applied to the motor. Because these systems are effective and can easily provide automatic current and voltage limiting operation, it is desirable to provide an automatic field winding shunt. The invention provides means, responsive to the current through the motor, for connecting a shunt resistor in parallel with the field winding when the motor current is below a predetermined first level and disconnecting the shunt resistor when the current is above another level, which is greater than the first level. The aim of the invention is to provide an improved sheet metal motor control system, an improved field winding shunt motor control system for a series DC motor, a device for shunting the field winding of a series DC motor in response to the notor current, a device for connecting and disconnecting a resistor in parallel with the field winding of a series motor Depending on the electrical condition of the motor, an automatic device for shunting the field winding of a friction-locked DC motor when the motor current is below a predetermined first level, and to cancel the bypass when the motor current is above a second predetermined level which is greater than the first level, and a control device for a vehicle, which is driven by a DC motor, which is automatically responsive to the motor current to the motor speed change number. A control system for an electric motor for the automatic control of the speed or the torque of a direct current motor with a field winding and an armature winding, which are excited by a direct current source, is characterized according to the invention by a resistor and a static control device, which is based on the from the direct current source to the motor flowing current responds to automatically connect the resistor in parallel with the field winding when the current is below a first preselected level, and automatically switch off the resistance from the field winding when the current is above a second preselected level. Preferably, the static control device switching means for causing the terminal of the resistor when the motor current is below a first preselected level and to cause the disconnection of the resistor just as if si is ch the motor current above a second preselected level, the is greater than the first level. Preferably, the switching means comprises a first circuit having first and second output states and connected to be responsive to the motor current and a second circuit connected to be responsive to the first output state of the first circuit for one Take output state, and is responsive to the second output state of the first circuit to take another output state. Biasing means are preferably provided for controlling the dependence of the first circuit on the current level. The biasing means responsive to the first output state of said second circuit in to the first circuit mrzuspann-ene, to take the second output state when derStrom is below a first preselected level, and to respond to the other state of the second circuit to the first circuit bias to assume the first output condition when the current is above a second preselected level that is greater than the first preselected level. The first circuit preferably comprises a semiconductor circuit connected to respond to the motor current and biased to conduct when the motor current is less than a first preselected level and the second circuit has a semiconductor circuit responsive to the state of the first circuit to become conductive when the first circuit is not conductive and to become non-conductive when the first circuit is conductive. The static control means preferably comprise a voltage divider. The semiconductor of the first circuit has a base, an emitter and a collector; while doing so, the base is connected to a selected point on the voltage divider. The semiconductor of the second circuit preferably has a base, an emitter and a collector, the base being connected to the collector of the semiconductor of the first circuit and the emitter being connected to the emitter of the semiconductor of the first circuit. The static control device can have a relay which is provided with an excitable winding for opening and closing a contact in order to connect and switch off the resistor in parallel connection with the field winding. The motor is preferably a series wound direct current motor. The invention also creates an electrically powered vehicle with a DC motor as a power source, which is equipped with a control system according to the invention. The invention is described in detail below, for example with reference to the drawing; 1 'shows a schematic view of a control system according to the invention for a sheet metal motor and pig. 2 is a graphical representation with two explanatory characteristic curves of the motor control system shown in FIG. 1 , in which one curve shows the current-voltage relationship for controlling the shunt and the other curve shows the percentage of the connection relationship for controlling the shunt. According to FIG. 1 , a direct current source, for example a battery 11, is connected to a series direct current motor 10 which has a Yeldwielilung 13 and an armature winding 14. A power switch 20, which has a small resistance when turned on, is connected to respond to an input from a pulse width modulation control system 30 to connect the battery 11 to the motor 10 in a cyclic manner. Static control means 50 are also provided in order to shunt the field winding 13 via a shunt resistor 15 by energizing a relay 51 in order to close its contact 51c. In the embodiment of the invention shown, the static control device 50 has first and second circuits in the form of semiconductor circuits, which are shown as PNP transistors 47 and 48 and associated circuit components. Resistors 31, 32, 33 and 34 are connected to control the input to transistor 47. The resistors 61 and 62 and a varistor 63 create a temperature compensation circuit. A diode 39 is connected between the base and emitter of transistor 47 to allow surge currents to pass, and a capacitor 38 is connected to filter the pulsating current generated by the cycling of circuit breaker 20. A diode 42 and a resistor 46 are connected to provide a back bias potential to the emitter-Bals circuit of transistor 4? to apply when it is switched off. A resistor 41 is connected to limit the current through transistor 47 when it is turned off. A resistor 43 and a winding 51 w of the relay 51 are connected in the collector circuit of the transistor 48. A diode 45 is connected. to conduct the induced reverse or reverse current from winding 51w of relay 51 when transistor 48 turns off. When operating the system described, when the time portion of each cycle or work cycle in which the circuit breaker 20 is switched on is relatively small, as shown in FIG. 2, or when the current is relatively high, as shown by voltage line A in Figure 2, the average current appearing in parallel with circuit breaker 20 is relatively high. At a selected voltage level, the filtered voltage at the base of transistor 47, which is generated by the voltage divider of resistors 31, 32 and 33 , is negative with respect to the voltage at the emitter of transistor 4r? Which is produced by the voltage divider of Resistors 31 and 34 is generated, and the transistor 47 is switched on. When the transistor 47 is switched on, the transistor 48 is switched off and no current flows through di; Winding 51w of relay 51, and contact 51c is open.
Wenn sich der Durchschnittsstrom durch den Motor 10 verringert,
verringert sich die gefilterte Durchschnittsspannung parallel zum Leistungsschalter
20,-wie es durch die Spannungslinien A und B in Fig. 2 beispielsweise dargestellt
ist.
Die Spannungslinie A ist bei einer maximalen "Ein"-Zeit
aufgetragen und diese Zeit ist als konstant angenommen. Die Spanniingslinie B ist
bei einem Minimummeßstrom aufgetragen und zeigt die Beziehung zwischen "Ein"-Zeit
und Spannung. Die Schaltungen sind so ausgelegt, daß, wenn die Spannung unter eine-gewählte
Spannung abfällt, wie z.B. die Spannung V 2 9 das Potential an der Basis
des Transistors 47 nicht mehr ausreichend negativ in bezug auf seinen Emitter ist,
um den Transistor 47 eingeschaltet zu halten, und der Transistor 47 schaltet ab.
Dadurch wird die Basis des Transistors 48 von der positiven Anschlußklemme der Batterie.(über
den Widerstand 34) abgeschaltet und die Basis wird Über den Widerstand 41 negativ.
Dadurch wird der Transistor 48 eingeschaltet und der Strom-fließt über die Wicklung
51w des'Relais 51,
um den-Kontakt 51c zu schließen. Hierdurch wird die Feldwicklung
13 mit dem Widerstand 15 in Nebenschluß angeschlossen und verringert
den Feldstrom und erhöht die Ankerspannung, um die Motordrehzahl zu erhöhen.As the average current through motor 10 decreases, the filtered average voltage across circuit breaker 20 decreases, as shown by voltage lines A and B in FIG. 2, for example. The voltage line A is plotted at a maximum "on" time and this time is assumed to be constant. The voltage line B is plotted at a minimum measuring current and shows the relationship between "on" time and voltage. The circuits are designed so that when the voltage drops below a selected voltage, such as voltage V 2 9, the potential at the base of transistor 47 is no longer sufficiently negative with respect to its emitter to turn transistor 47 on hold, and transistor 47 turns off. As a result, the base of the transistor 48 is switched off from the positive connection terminal of the battery (via the resistor 34) and the base becomes negative via the resistor 41. As a result, the transistor 48 is switched on and the current flows through the winding 51w of the relay 51 in order to close the contact 51c. This shunts the field winding 13 to the resistor 15 and reduces the field current and increases the armature voltage to increase the motor speed.
Wenn der Transistor 48 eingeschaltet ist, schaltet der Transistor
47 sich nicht ein, wenn die Durchschnittsspannung parallel zum Leistungsschalter
20 ansteigt, bis die Spannung,
wie es beispielsweise durch die
Spannungskurven A und B in Fig. 2 gezeigt ist, über einen gewählten Pegel,
wie z,B. die Spannung Vl. ansteigt. Dieses tritt ein, da,.wenn der Transistor 48
abgeschaltet ist, das Potential an dem Emitter des Transistors 47 effektiv Null
ist, wenn der Widerstand 34 klein ist'verglichen mit dem Widerstand 46. Wenn der
Trans-' istor 48 eingeschaltet ist, wird das Potential an dem Emitter des Transistors
47 primär bestimmt von dem Spannungsteiler des Widerstandes 34, desWiderstandes
43 -und -der Wicklung 51w des Relais 51. Da der Strom durch die Wicklung
51w durch den Widerstand 43 fließt, wird ein Spannungsabfall erzeugt, wodurch der
Emitter des Transistors 47 relativ.negativer wird, wenn der Transistor 48 eingeschaltet
ist.' Es ist folglich ein größeres negatives Potential an der Basis des
Tran istors 47 erforderlich, um den Transistor 47 in Durchlaßrichtung
vorzuspannen und ihn einzuschalten, wenn der-Transistor 48 eingeschaltet
ist. -
Wenn der Transistor 48 -abgeschaltet ist, ist folglich die Spannung
parallel zu dem Widerstand 34 verhältnismäßig niedrig und eine kleinere Durchlaßvorspannung
hält den Transistor 47 eingeschaltet, Folglich wird der Transistor 47 bei einer
relativ niedrigen Spannung, wie z.B. die Spannung
V 2 , abgeschaltet.
Wenn der Transistor 48 eingeschaltet i,st". ist jedoch der Spannungsabfall parallel
zu dem Widerstand 34 relativ groß und legt eine relativ große umgekehrte Vorspannung
an den Transistor 47 parallel zu dem Widerstand 33
an. Folglich ist eine größere
Durchlaßspannung, wie z.B. die Spannung V, , erforderlich, um den Transistor
47 einzuschalten. Die Spannung, bei der der Kontakt 51c schließt, wird durch die
Wahl des Widerstandes des Widerstandes 31
gesteuert,'wenn die Spannungsdifferenz
zwischen den Spannungen Vi und V2 primär von dem Widerstand 34 bestimmt ist.When transistor 48 is on, transistor 47 will not turn on if the average voltage in parallel with power switch 20 rises until the voltage, as shown for example by voltage curves A and B in FIG. 2, above a selected level, such as z, B. the voltage Vl. increases. This occurs because, when the transistor 48 is switched off, the potential at the emitter of the transistor 47 is effectively zero when the resistor 34 is small compared to the resistor 46. When the transistor 48 is switched on, becomes the potential at the emitter of transistor 47 is primarily determined by the voltage divider of resistor 34, resistor 43 and winding 51w of relay 51. As the current flows through winding 51w through resistor 43, a voltage drop is created, causing the emitter of transistor 47 becomes relatively more negative when transistor 48 is on. Accordingly, it is a larger negative potential at the base of Tran istors 47 required to turn the transistor 47 forward bias and turn it on when the transistor is turned on 48th - When the transistor is -abgeschaltet 48, consequently the voltage to the resistor 34 relatively low in parallel and a smaller forward bias keeps the transistor 47 turned on, Consequently, the transistor 47, the voltage V 2 is turned off at a relatively low voltage, for example. However, when transistor 48 is on, the voltage drop across resistor 34 is relatively large and applies a relatively large reverse bias to transistor 47 across resistor 33. Consequently, a larger forward voltage, such as voltage V, is , required to turn the transistor 47 on. the voltage at which the contact closes 51c is controlled by the choice of the resistance of the resistor 31 'when the voltage difference between the voltages Vi and V2 determined primarily by the resistor 34.